Search

International audience; Supercritical CO2 (s CO2) Brayton cycles have gained interest in the frame of Sodium-cooled nuclear Fast Reactors (SFRs), as an alternative to the conventional water Rankine cycles. If CO2 leaks inside the CO2-Na heat exchanger, an underexpanded CO2-into-liquid-sodium jet is formed. CO2 leaks at sonic velocity and chemically reacts with sodium, through an exothermic reaction. The consequences of such a scenario must be investigated, in order to predict the temperature increasing inside the heat exchanger and on the tube walls, due to the exothermic chemical reaction, as well as the reaction products distribution inside the heat exchanger. This article presents a numerical approach for modeling such a two-phase reactive jet. A two-fluid multi-component CFD approach is employed, with a heterogeneous reaction between the CO2-gas and the sodium-liquid phases. The model allows to predict the most relevant information, such as temperature distribution, the jet penetration length and the reaction products distribution downstream the CO2 leakage. Some experimental studies on underexpanded gas-into-sodium reactive jets, available in literature, have been compared to our numerical results. It is found that the numerical temperature profiles are consistent with the ones experimentally measured.

This PhD work was motivated by the investigations in the frame of supercritical CO2 Brayton cycles as possible energy conversion cycles for the Sodium-cooled Fast nuclear Reactors (SFRs). Following an accidental leakage inside the sodium-CO2 heat exchanger of a SFR, the CO2, having an operating pressure of about 200 bars, would be injected into the low-operatingpressure liquid sodium, creating an underexpanded reactive CO2-into-sodium jet. The goal of this PhD work is the development of a numerical model of the two-phase reactive CO2-into-sodium jet.A numerical model of an underexpanded non-reactive gas-into-liquid jet was developed, adopting a 3D unsteady multi-fluid CFD approach. The numerical results have been validated through the experimental results obtained with a facility employing optical probe technique. A numerical model for the chemical reaction between sodium and CO2 was then developed and integrated into the 3D two-fluid model. The resulting model allows to determine the temperature profiles inside the reactive jet and on the heat exchanger tubes.; Ce travail de thèse s’est inscrit dans le contexte d’utilisation d’un cycle de conversion de l’énergie de type Brayton au CO2 supercritique, pour les réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium (RNRNa). Dans le cas d’une fuite accidentelle dans l’échangeur de chaleur Na − CO2 d’un RNRNa, le CO2, avec une pression opérative d’environ 200 bars, serait injecté dans le sodium liquide qui se trouve à basse pression,provoquant un jet sous-détendu et réactif deCO2 dans le sodium. L’objectif principal de ce travail de thèse était le développement d’un modèle numérique du jet réactif diphasique de CO2 dans du sodium.Un modèle numérique d’un jet sous-détendu non-réactif de gaz dans du liquide, utilisant une approche3D non-stationnaire de type multi-fluide CFD, a été développé. Les résultats numériques ont été validés à travers la comparaison avec résultats expérimentaux obtenus avec mesures optiques. Un modèle décrivant la réaction chimique entre le sodium et le CO2 a été ensuite développé et intégré dans le modèle 3D multi-fluide. Le modèle résultant permet de calculer les profils de température obtenus au sein du jet et sur les parois des tubes de l’échangeur de chaleur.

This PhD work was motivated by the investigations in the frame of supercritical CO2 Brayton cycles as possible energy conversion cycles for the Sodium-cooled Fast nuclear Reactors (SFRs). Following an accidental leakage inside the sodium-CO2 heat exchanger of a SFR, the CO2, having an operating pressure of about 200 bars, would be injected into the low-operatingpressure liquid sodium, creating an underexpanded reactive CO2-into-sodium jet. The goal of this PhD work is the development of a numerical model of the two-phase reactive CO2-into-sodium jet.A numerical model of an underexpanded non-reactive gas-into-liquid jet was developed, adopting a 3D unsteady multi-fluid CFD approach. The numerical results have been validated through the experimental results obtained with a facility employing optical probe technique. A numerical model for the chemical reaction between sodium and CO2 was then developed and integrated into the 3D two-fluid model. The resulting model allows to determine the temperature profiles inside the reactive jet and on the heat exchanger tubes.; Ce travail de thèse s’est inscrit dans le contexte d’utilisation d’un cycle de conversion de l’énergie de type Brayton au CO2 supercritique, pour les réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium (RNRNa). Dans le cas d’une fuite accidentelle dans l’échangeur de chaleur Na − CO2 d’un RNRNa, le CO2, avec une pression opérative d’environ 200 bars, serait injecté dans le sodium liquide qui se trouve à basse pression,provoquant un jet sous-détendu et réactif deCO2 dans le sodium. L’objectif principal de ce travail de thèse était le développement d’un modèle numérique du jet réactif diphasique de CO2 dans du sodium.Un modèle numérique d’un jet sous-détendu non-réactif de gaz dans du liquide, utilisant une approche3D non-stationnaire de type multi-fluide CFD, a été développé. Les résultats numériques ont été validés à travers la comparaison avec résultats expérimentaux obtenus avec mesures optiques. Un modèle décrivant la réaction chimique entre le sodium et le CO2 a été ensuite développé et intégré dans le modèle 3D multi-fluide. Le modèle résultant permet de calculer les profils de température obtenus au sein du jet et sur les parois des tubes de l’échangeur de chaleur.

International audience; Sodium-cooled Fast Reactors (SFRs) represent one of the most promising technologies in the context of generation IV nuclear power reactors. In order to improve electric efficiency and to avoid a reaction between Sodium and water when Rankine cycles are used, the concept of Brayton cycles using supercritical CO2 is being investigated as alternative energy conversion cycle. However, an accidental scenario must be evaluated, since a leakage inside the CO2-sodium heat exchanger would cause a reactive underexpanded CO2-into-Sodium jet, which in turn could lead to mechanical and thermal problems. A two-fluid approach has been investigated for the modelling of the two-phase jet. According to available flow maps, mist flow has been assumed at the leak exit, where high gas volume fraction and high interfacial slip velocity exist, and bubbly flow has been assumed for lower gas volume fraction and slip velocity. An interfacial friction model has been developed. Droplet and bubble diameters have been estimated following literature experimental results and using critical Weber number. For the drag coefficients, consistent correlations have been developed. A two-phase mixture turbulence model has been added. The interfacial friction approach has been implemented into the two-fluid model of the CFD software Ansys Fluent 14.0. Experimental gas-into-water tests have been realized in order to obtain visual information and to perform void fraction measurements through optical probe: numerical results are consistent with experimental ones in terms of void fraction profile during the injection transient and axial and radial void fraction profile at steady-state conditions. The two-fluid approach presented here will be the base for the implementation of a chemical reaction model, in order to account for the exothermic chemical reaction between the CO2 and the sodium.

International audience; Pas de résumé